潘守華，劉海旭，王天寶，王亞東，趙 亮，李 釗，曾祥濤

一種抗高過載小型電拔銷器結構設計

潘守華1，劉海旭1，王天寶2，王亞東1，趙 亮1，李 釗1，曾祥濤1

（1. 北方特種能源集團西安慶華公司，陜西 西安，710025；2. 陸裝駐西安地區(qū)第一代表室，陜西 西安，710025）

設計了一種耐受高過載剪切式拔銷器，通過抗過載結構和裝藥結構設計，采用過盈配合鎖定方式，實現(xiàn)了小型拔銷器拔銷和銷子自鎖功能。理論計算和試驗研究表明，剪切式拔銷器具有良好的抗高過載能力，且功能可靠。

拔銷器；小型化；高過載

電拔銷器具有結構簡單、尺寸小、作用可靠和安全性高的特點，已經(jīng)廣泛應用到航天、航空、兵器等武器系統(tǒng)中[1]。隨著武器小型化的發(fā)展，彈道力學環(huán)境也越來越復雜，在某炮射導彈阻力器釋放機構用電拔銷器的研制過程中，彈道過載沖擊值模擬為23齒、3個方向。由于安裝電拔銷器的體積空間相對較小，這對電拔銷器耐受高過載沖擊的設計提出了更高要求。傳統(tǒng)支撐片結構的電拔銷器尺寸及耐受高過載的性能已不能滿足使用要求，特別是每發(fā)產品耐受3個方向高過載性能的要求。為此，筆者提出一種全新的小型拔銷器結構設計方案，解決了小型拔銷器耐受3個方向高過載，且結構不損壞的問題，以滿足武器系統(tǒng)的使用要求。

1 電拔銷器結構設計

1.1 設計思路

該電拔銷器設計要求為：尺寸為φ8mm×13mm，拔銷行程不小于3.5mm，同時需滿足銷子頭朝下23齒錘擊3次，頭朝上23齒錘擊1次，水平18齒錘擊6次（每隔60°錘擊1次）的循環(huán)錘擊，結構不能損壞。

傳統(tǒng)拔銷器采用支撐片結構，其中核心件支撐片為彈性簧片，對銷子在拔銷前起支撐、拔銷后起自鎖的作用[2]。相關資料顯示該類型拔銷器徑向可耐受23齒錘擊1次；銷子朝上、朝下方向不能耐受18齒過載沖擊。分析認為銷子朝上錘擊試驗后會出現(xiàn)銷子外露長度減少、銷子松動的現(xiàn)象，存在拔銷器提前拔銷的風險；銷子朝下時出現(xiàn)燒結電極塞破裂的現(xiàn)象，產品結構損壞，電阻發(fā)生了變化。

依據(jù)電拔銷器作用原理和設計要求，電極塞選用抗高過載的陶瓷電極塞，設計一種剪切銷式電拔銷器，通過點火藥作用推動銷子，切斷固定銷子的剪切銷，同時實現(xiàn)拔回的功能，采用過盈配合實現(xiàn)自鎖。該設計核心是調節(jié)剪切銷直徑、材料及點火藥裝藥量之間的匹配，理論上只要剪切銷的直徑足夠大，就能滿足耐過載要求。但由于拔銷器外形尺寸較?。é?mm×13mm），設計時既要保證剪切銷能耐受23齒過載要求，又要實現(xiàn)可靠切斷，同時還要滿足銷子和管殼在剪切銷安裝孔位置的薄弱部分強度均大于剪切銷的強度，所以銷子和管殼的薄弱部分都要有一定的厚度。通過對電極塞和剪切銷所用材料的選型，及試驗驗證，設計新型小型電拔銷器，結構示意圖見圖1。

圖1 電拔銷器結構示意圖

1.2 工作原理

發(fā)火件接受到規(guī)定的能量刺激后，產生的火焰氣體沿傳火方向將銷子內的藥劑點燃，同時產生沖擊力，使得銷子克服剪切銷的約束向拔銷方向運動，實現(xiàn)拔銷的功能。銷子運動到位后緩沖環(huán)將其鎖定，防止銷子的反彈。

1.3 理論計算

拔銷器抗過載能力主要由銷子固定結構強度決定，本結構采用金屬剪切銷將銷子與管殼固定在一起。剪切銷固定結構如圖2所示。

1.3.1 過載力值計算

根據(jù)牛頓第二定律知，銷子在錘擊時所受的作用力為：

=（1）

式（1）中：為銷子慣性力，N；為銷子質量，kg；為錘擊過載加速度，m/s2。查資料可知[3]：23齒錘擊等效過載為：29 000g。

經(jīng)計算：=203N。

圖2 剪切銷固定結構

1.3.2 剪切銷最小剪斷力

根據(jù)材料手冊，所用不銹鋼絲的抗拉強度極限σ=540~880MPa；由機械強度理論知，許用剪應力[]為：

式（2）中：[]為材料的許用應力，MPa；為材料安全系數(shù)，取=1.25~1.50。

經(jīng)計算：[]≥360~720MPa。

剪切面積：

式（3）中：為剪切面積，m2；為剪切銷直徑，mm。

由強度理論知，剪切銷被剪斷所需的最小力為許用剪切力與剪切面積的乘積，即：

1=×≥[] ×（4）

剪切銷設計裕度取2.5~5.5，得1=×=507.5 ~1 116.5N。

經(jīng)計算：=0.947~1.004mm。

取剪切銷直徑為1mm。

1.3.3 緩沖環(huán)過盈阻力

為實現(xiàn)銷子作用后自鎖，設計了緩沖環(huán)。緩沖環(huán)與銷子采用過盈配合方式，通過過盈阻力消耗銷子能量，最終實現(xiàn)銷子自鎖功能[4]。銷子外徑和緩沖環(huán)內徑為5.5mm，緩沖環(huán)和銷子均為金屬材料，過盈量決定了銷子運動的最終狀態(tài)，見圖3。

通過靜態(tài)測試得到不同公差等級與過盈阻力的關系，見表1。

圖3 自鎖結構

表1 不同公差等級與過盈阻力的關系

Tab.1 Relation between different tolerance grade and interence force

1.3.4 裝藥設計

裝藥量與拔銷克服阻力有關。銷子在縮回過程中須克服銷子端負載阻力、剪切銷抗力及緩沖環(huán)阻力。對于密閉容腔內真實爆炸氣體，使用阿貝爾余容狀態(tài)方式計算裝藥量，但拔銷器為非密閉空間，作用后存在氣體流出，參考無后座炮相關設計，假定氣體流出相對量為50%，則修正后的計算公式為[5]：

式（5）中：為裝藥量，kg；P為火藥燃燒后產生的壓力，MPa；為總容腔，49.53×10-3cm3；K為修正系數(shù)，取0.6；為火藥氣體余容，cm3/kg；為火藥力，J/kg。

要使銷子可靠縮回，則火藥燃燒后產生的壓力須大于拔銷的阻力，則：

式（6）中：1為剪切銷剪切力，565.2～1 105.3N；2為銷子端負載阻力，42N；3為緩沖環(huán)阻力，約210N；1為容腔大徑，m；2為容腔小徑，m。

經(jīng)計算：P=46.45~77.155MPa

火藥氣體余容根據(jù)公式（7）計算：

=e-0.4ρ（7）

式（7）中：為氣體余容；為火藥燃燒后的氣體密度，為簡化計算，爆炸后氣體密度近似認為等于裝填密度△。

查資料[5]知，所用點火藥的火藥力為=0.43MJ /kg，代入式（5）~（7），經(jīng)計算得裝藥藥量為：=8.9~14.8mg。為保證拔銷器均能可靠縮回，裝藥量應大于14.8 mg，故確定裝藥量為15～16mg。

2 試驗研究

確定電拔銷器剪切銷直徑和產品裝藥量后，為保證產品作用的可靠性，對產品進行裝藥裕度試驗、抗過載試驗和氣候環(huán)境試驗。

2.1 裝藥裕度試驗

根據(jù)理論計算的藥量，進行了不同藥量的對比試驗，試驗結果見表2。

表2 裝藥藥量對比試驗結果

Tab.2 Contrast test of charge mass

由表2試驗結果可知，裝藥量在11.1～22.0mg的范圍內都能滿足功能要求。考慮拔銷器工作裕度及爆炸沖擊對系統(tǒng)的影響，確定藥量范圍為15～16mg。確定藥量后，分別按上、下限藥量的120%與80％進行了藥量裕度試驗，試驗結果見表3。

表3 輸出端裝藥藥量裕度試驗

Tab.3 Output charge margin test

由表3裕度試驗結果表明，藥量設計合理，能夠保證銷子可靠縮回，且結構完整。

2.2 抗過載試驗

拔銷器在符合WJ 233-1977要求的錘擊機上進行抗過載能力驗證試驗。試驗條件按銷子頭朝下23齒錘擊3次→銷子頭朝上23齒錘擊1次→徑向18齒錘擊6次（每隔60°錘擊1次）指標進行，試驗后檢測銷子外露尺寸和產品電阻，試驗前后銷子外露尺寸變化不大于0.04mm，電阻變化不大于0.1Ω判定為合格。錘擊試驗結果見表4。

表4 錘擊試驗結果

Tab.4 Hammering test results

由表4可知，拔銷器錘擊試驗后，同一發(fā)產品銷子外露尺寸最大變化為0.03mm，電阻最大變化為0.03Ω，判定為合格，即銷子外露尺寸和產品電阻基本無變化，表明拔銷器具有良好的抗過載能力。錘擊試驗后進行了功能試驗，拔銷器均可靠作用，試驗結果見表5。

2.3 環(huán)境試驗

拔銷器狀態(tài)確定后，試制40發(fā)產品，進行了環(huán)境適應性試驗和功能試驗，結果見表6。

表5 錘擊試驗后功能試驗結果

Tab.5 Functional test results after hammering test

表6 功能試驗結果

Tab.6 Functional test results

試驗表明，拔銷器設計合理，緩沖環(huán)能夠有效對銷子實現(xiàn)自鎖，且功能可靠。

3 結論

（1）設計了一種剪切銷式拔銷器，實現(xiàn)了小型化拔銷器抗高過載結構設計；（2）通過理論計算及裝藥裕度試驗研究，提供小型拔銷器抗高過載及裝藥量的理論計算方法。

[1] 王凱民.軍用火工品設計技術[M].北京:國防工業(yè)出版社, 2006.

[2] 崔衛(wèi)東.拔銷器的小型化設計[J].火工品,2006(2):17-19.

[3] 夏建才.火工品制造[M].北京:北京理工大學出版社,2009.

[4] 孫潔.拔銷器作用過程的仿真研究[J].火工品，2017(1):10-13.

[5] 王凱民.火工品工程[M].北京:國防工業(yè)出版社,2014.

The Structure Design of An Anti-high Overload Electric Pin Puller with Small Size

PAN Shou-hua1，LIU Hai-yu1，WANG Tian-bao2，WANG Ya-dong1，ZHAO Liang1，LI Zhao1，ZENG Xiang-tao1

（1.North Special Energy Group Co.Ltd.，Xi’an,710025；2. The First Representative Office of Army Equipment in Xi’an，Xi’an,710025）

A kind of pin puller with forward-fired transfer and reverse movement structure was designed. The anti-high overload pin puller is realized by the anti-high overload structure, charge structure and anti-rebound structure design. The theoretical calculation and experimental study show that the designed pin puller has good anti-high overload ability and reliable function.

Pin puller；Small-sized；High overload

TJ45+9

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2019.06.003

1003-1480（2019）06-0009-04

2019-11-14

潘守華（1979-），男，高級工程師，主要從事火工品設計研究。